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Die Erfindung betrifft eine Strahleranordnung zur
Varwendung bei Mikrowellenfrequenzen, die aufweist:
eine Grundebene;
einen
unteren dielektrischen Pfosten mit einer unteren Oberfläche, die
benachbart zur Grundebene angeordnet ist, und einer oberen Oberfläche;
ein
dünnes
unteres Strahlerelement, das auf der oberen Oberfläche des
unteren dielektrischen Pfostens angeordnet ist;
einen oberen
dielektrischen Pfosten mit einer unteren Oberfläche und einer oberen Oberfläche, wobei der
obere dielektrische Pfosten über
dem unteren Strahlerelement aufgeschichtet ist;
ein oberes
dünnes
Strahlerelement, das auf der oberen Oberfläche des oberen dielektrischen
Pfostens angeordnet ist; und
wenigstens ein Paar beabstandeter
Sonden, die in elektrischem Kontakt mit dem unteren Strahlerelement
stehen, um das untere Strahlerelement anzuregen, wobei das obere
Strahlerele ment nicht von Einspeisesonden gespeist wird und ein
parasitäres Strahlerelement
ist.
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Solch eine Strahleranordnung ist
aus der US-A-5 010 348 bekannt. Jedoch ist diese Strahleranordnung
insbesondere zum Anregen eines Wellenreiters geeignet.
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Eine ähnliche Strahleranordnung zur
Verwendung als Mikrowellenantenne ist aus der US-A-5 497 164 bekannt.
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Schließlich ist aus der US-A-4 623
893 eine Mikrostreifenantenne bekannt, die mehrere dielektrische
Schichten mit jeweils verschiedenen Permittivitäten aufweist.
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Bei der Schiffs-, U-Boot- und Flugzeugsatellitenkommunikation
oder -Radarfeldern besteht ein Bedürfnis nach einer breitbandigen
oder dualbandigen phasengesteuerten Arrayantenne (phased array antenna)
mit doppeltlinearer oder zirkularer Polarisation.
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In der Literatur werden einige Entwürfe für eine Mikrostreifenscheibe-Korrektur-Arrayantenne (microstrip
disk patch array antenna) beschrieben, aber diese Entwürfe zeigen
sehr begrenzte Fähigkeiten
bezüglich
der Bandbreiten- und/oder Scanreichweitenleistungen. Vgl. „Microstrip
Array Technology", Robert J. Mailloux et al., IEEE Antennas and
Propagation Transactions, Vol. AP-29, Januar 1981, Seiten 25–37. Phasengesteuerte
Anordnungen sind entwickelt worden, die einen Scheibenstrahler auf
einem dielektrischen Pfosten verwenden, aber diese Anordnungen weisen
eine limitierte Bandbreite in der Größenordnung von 20% auf.
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Angesichts dessen ist es eine Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Strahleranordnung zur
Verwendung bei Mikrowellenfrequenzen zu schaffen, die die im Stand
der Technik aufgefundenen Nachteile vermeidet.
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Diese Aufgabe wird durch eine Strahleranordnung
gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Die Strahleranordnung gemäß der Erfindung umfasst
eine Grundebene und einen unteren dielektrischen Pfosten, der aus
einem Material mit großer Permittivitätszahl hergestellt
ist, und eine untere Oberfläche,
die benachbart zur Grundebene angeordnet ist, und eine obere Oberfläche. Ein
dünnes
unteres Strahlerelement ist auf der oberen Oberfläche des
unteren dielektrischen Pfostens angebracht. Ein oberer dielektrischer
Pfosten ist aus einem Material mit kleiner Permittivitätszahl hergestellt
und weist eine untere Oberfläche
und eine obere Oberfläche auf,
die über
dem unteren Strahlerelement aufgeschichtet ist. Ein oberes dünnes Strahlerelement
ist auf der oberen Oberfläche
des oberen dielektrischen Pfostens angeordnet. Die Strahleranordnung
umfasst des Weiteren ein Paar beabstandeter Sonden, die in elektrischem
Kontakt mit dem unteren Strahlerelement stehen, um den unteren Strahler
anzuregen. Das obere Strahlerelement wird nicht von Einspeisesonden
gespeist und ist ein parasitäres
Strahlerelement.
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Vorzugsweise liefert ein Einspeisungsnetzwerk
ein erstes und zweites Anregungssignal an die jeweiligen Sonden,
die um 180 Grad außer
Phase sind.
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Ein zweites Paar Anregungssonden
kann an orthogonalen Stellen relativ zu Stellen des ersten Sondenpaars
angeordnet werden. Das Einspeisungsnetzwerk liefert des Weiteren
ein drittes und viertes Anregungssignal an die jeweiligen Sonden des
zweiten Sondenpaars, die um 180 Grad zueinander außer Phase
sind.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
weisen der untere und der obere dielektrische Pfosten eine zylindrische
Konfiguration auf und sind von gleichem Durchmesser. Das untere
Strahlerelement ist eine kreisförmige
Scheibe aus einem elektrisch leitfähigen Material. Bei einer breitbandigen
Ausführungsform
ist das obere Strahlerelement ebenfalls eine kreisförmige Scheibe
aus einem elektrisch leitfähigen Material.
Bei einer alternativen Ausführungsform
ist das obere Strahlerelement ein ringförmiger Ring aus einem elektrisch
leitfähigen
Material. Beide Ausführungsformen
können
eine breitbandige oder dualbandige Leistung ermöglichen.
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Die Strahleranordnung wird bei einer
phasengesteuerten Arrayantenne verwendet, wobei eine Vielzahl der
Strahleranordnungseinheiten für
einen Betrieb einer phasengesteuerten Anordnung angeordnet sind.
Bei einer Anordnungsausführung
werden die Strahlereinheiten entlang einer rechtwinkligen Gitterstruktur
angeordnet. Bei einer anderen Anordnungsausführung werden die Strahlereinheiten entlang
einer Dreiecksgitterkonfiguration mit gleich langen Seiten angeordnet.
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Diese und weitere Merkmale und Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten
Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform davon klarer werden,
wie sie in den beigefügten
Zeichnungen veranschaulicht ist, in denen:
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1 eine
Draufsicht auf eine exemplarische Ausführungsform einer phasengesteuerten
Arrayantenne mit aufgeschichteten dielektrischen zylindrischen Pfosten
ist, die diese Erfindung verkörpert;
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2 eine
Querschnittsansicht entlang einer Linie 2-2 der 1 ist;
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3 eine
alternative Ausführungsform
der Erfindung veranschaulicht, wobei der obere Scheibenstrahler
der 1 durch einen ringförmigen Ringstrahler
ersetzt ist;
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4 eine
Querschnittsansicht entlang einer Linie 4-4 der-3 ist;
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5 eine
Einspeisekonfiguration für
eine Dualbandoperation mit linearer Polarisation veranschaulicht;
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6 eine
Einspeisekonfiguration für
eine Dualbandoperation mit zirkularer Polarisation veranschaulicht;
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7 eine
phasengesteuerte Anordnung zeigt, die in. einer Dreiecksgitterstruktur
mit gleich langen Seiten angeordnet ist;
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8 die
berechnete aktive Reflexionsdämpfung
als Funktion der Frequenz für
einen Breitseitenscan veranschaulicht;
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9 die
aktive Reflexionsdämpfung
als eine Funktion der Frequenz für
den Fall eines H-Ebenen-Scans veranschaulicht; und
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10 die
aktive Reflexionsdämpfung
als eine Funktion der Frequenz für
den Fall eines E-Ebenen-Scans veranschaulicht.
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1 zeigt
eine vereinfachte Draufsicht eines Teils einer exemplarischen phasengesteuerten Arrayantenne 50 mit
aufgeschichteten dielektrischen zylindrischen Pfosten, die diese
Erfindung verkörpert.
Der Teil der exemplarischen Anordnung 50, die in 1 gezeigt ist, umfasst vier
strahlende Elemente oder Einheitszellen 60, 70, 80 und 90.
Natürlich können Arrayantennen,
die die Erfindung verkörpern, eine
viel größere Anzahl
von Strahlungselementen umfassen. Die Abstände dx und
dy der Elemente sind gleich und befinden
sich in einer rechtwinkligen Gitterkonfiguration.
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Die Einheitszellen sind identisch
und lediglich Zelle 60 wird detailliert beschrieben werden,
die anderen Einheitszellen 70, 80 und 90 sind
identisch zur Einheitszelle 60. Es gibt zwei zylindrische
dielektrische Pfosten in jeder Einheitszelle. Somit umfasst die
Zelle 60 einen unteren dielektrischen Pfosten 62A und
einen oberen dielektrischen Pfosten 62B. Beide dielektrischen
Pfosten 62A und 62B weisen den gleichen Durchmesser
D auf. Der untere dielektrische Pfosten 62A ist aus einem
Material hergestellt, das eine große dielektrische Konstante ε1 und
eine Höhe t,
aufweist und auf der Grundebene 64 angeordnet ist. Ein
exemplarisches Material, das für
die untere Scheibe geeig net ist, ist „Stycast Hi-K", ein dielektrisches
Material, das von Emerson und Cuming vermarktet wird.
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Auf dem unteren Pfosten 62A ist
der erste Scheibenstrahler 66A mit einem Radius a1 positioniert. Dieser Scheibenstrahler wird
von zwei Sondenpaaren 67A–67B und 67C–67D angeregt,
die an orthogonalen Stellen angeordnet sind. Der Sondenabstand beträgt S für jedes
Paar. Jedes Söndenpaar wird
von einem Paar coaxialer Kabel 68A–68B und 68C–68D mit
um 180 Grad umgekehrter Phase gespeist.
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Der obere dielektrische Pfosten 62B ist
aus einem Material hergestellt, das eine kleine dielektrische Konstante ε2 und
eine Höhe
t2 aufweist, und ist auf dem ersten Scheibenstrahler 66A angeordnet. Ein
Material, das zur Verwendung als oberer die-lektrischer. Pfosten geeignet ist, ist
ein dielektrischer Schaum geringer Dichte, wie z. B. „Stycast Lo-K"-Material,
das von Emerson und Cuming vermarktet wird. Ein zweiter Scheibenstrahler 66B mit einem
Radius a2 ist dann wieder auf dem zweiten
dielektrischen Pfosten 62B positioniert. Dieser obere Scheibenstrahler
ist ein parasitärer
Strahler ohne Einspeisesonden. Der parasitäre Strahler 66B dient zum
Einstellen auf Hochbandfrequenzen, so dass die gesamte Bandbreite
sich vom Niedrigband bis zum Hochband erstreckt.
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Die zwei Anregungssondenpaare 67A–67B und 67C–67D ermöglichen
eine doppeltlineare Polarisation und eine zirkulare Polarisationsfähigkeit.
Die Sondenpaare (z. B. vertikale Polarisation und horizontale Polarisation)
sind orthogonal zueinander. Folglich erzeugen sie orthogonale Polarisationen. Zwei
orthogonale line are Polarisationen können kombiniert werden, um
eine zirkulare Polarisation zu erzeugen.
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Das untere Strahlerelement wird für eine Operation
(hat eine Resonanz) bei einer niedrigen Frequenz eingestellt. Das
obere Strahlerelement wird für
eine Operation (hat eine Resonanz) bei einer hohen Frequenz eingestellt.
Eine breitbandige Leistung wird durch Einstellen des oberen Strahlerelements
erzielt, so dass seine Resonanz sich bezüglich der Frequenz nahe an
der des unteren Strahlerelements befindet. Ein Dualbandbetrieb wird
erzielt, wenn die Resonanzen des oberen und des unteren Strahlerelements
ausreichend hinsichtlich der Frequenz getrennt sind, um verschiedene
Frequenzbänder
zu bilden, mit einer relativ schlechten Leistung bei Frequenzen
zwischen den zwei Bändern.
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3 veranschaulicht
eine alternative Ausführungsform
der Erfindung, wobei der obere Scheibenstrahler 66B der
Ausführungsform
der 1 durch einen ringförmigen Ringstrahler
ersetzt ist. Somit verwendet das Anordnungssystem 50' der 3 einen ringförmigen Ringstrahler 66B';
der ringförmige Ringstrahler
ist ebenfalls ein parasitärer
Strahler ohne Speisesonden. Der ringförmige Ringstrahler weist einen
inneren Umfang des Radius b2 auf und hat
einen äußeren Umfang
des Radius a2. Dieser ringförmige parasitäre Ringstrahler 66B' ermöglicht einen
anderen Frequenzeinstelleffekt als der des massiven Scheibenstrahlers 66B.
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5 veranschaulicht
eine Einspeisungskonfiguration 100 für eine exemplarische Dualbandoperation
mit linearer Polarisation. Ein Paar der Speisesonden jedes Elements
wird durch eine um 180° phasenumgekehrte
Vorrichtung gespeist. Somit werden die Einspeisesonden 67A–67B des
exemplarischen Elements 60 durch eine 180°-phasenumgekehrte
Symmetrieschaltung („balun")
(gleicher Leistung) oder eine 180°-Gabelschaltung
102 („hybrid") (gleicher
Leistung) gespeist. Die Einspeisesonden 67A–67B des
benachbarten Elements 80 werden durch eine um 180° phasenumgekehrte
Symmetrieschaltung oder eine 180°-Gabelschaltung
110 gespeist. Der Eingangsport 102A der Einspeisesymmetrieschaltung
ist mit einem Diplexer 104 verbunden. Die zwei Ausgangsports
des Diplexers 104 sind der Hochbandport 104A und
der Niedrigbandport 104B. Auf ähnliche Weise ist der Eingangsport 110A der Einspeisesymmetrieschaltung 110 mit
einem Diplexer 112 verbunden. Die zwei Ausgangsports des
Diplexers 112 sind der Hochbandport 112A und der Niedrigbandport 112B.
Jeder Hochbandport ist mit einem Hochbandphasenschieber und dann
mit dem hochbandigen gemeinsamen Einspeisenetzwerk verbunden. Somit
ist der Port 104A mit einem Hochbandphasenschieber 106 und
dann mit dem gemeinsamen Hochband-Einspeisungsnetzwerk verbunden.
Der Port 112A ist mit einem Hochbandphasenschieber 114 und
dann mit dem gemeinsamen Hochband-Einspeisungsnetzwerk verbunden.
Zwei Niedrigbandports der zwei benachbarten Elemente in der azimutalen
Richtung und zwei in der Elevationssrichtung werden kombiniert (um
den Komponentenzähler zu
reduzieren), und diese Azimut- und Elevationsports werden des Weiteren
in einem einzigen Ausgang kombiniert. Z. B. werden die Niedrigbandports 104B und 112B beim
Kombinierer 116 kombiniert, um ein Azimutsignal beim Port 116A zu
bilden. Die Niedrigbandports 122B und 132B der
anderen benachbarten Elemente (in 5 nicht
gezeigt) werden beim Kombinierer 126 kombiniert, um ein
Elevationssignal beim Port 126A zu bilden. Die Ausgänge 116A und 126A werden
beim Kombinierer 117 kombiniert, um eine Ausgabe 117A zu
erzeugen. Diese Ausgabe
117A wird dann mit einem Niedrigbandphasenschieber 118 verbunden
und des Weiteren mit einem gemeinsamen Niedrigband-Einspeisungsnetzwerk
verbunden. Eine ähnliche
Schaltung kann errichtet werden, um die Sonden für die orthogonale lineare Polarisation
der strahlenden Elemente anzuregen, um einen doppeltlinearen Polarisationsbetrieb
zu erhalten.
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Die Einspeisungskonfiguration 100 kann
von einem Dualband- auf einen Breitbandbetrieb durch Entfernen der
Diplexer 104 und 112 und der Kombinierer 116, 117, 126 modifiziert
werden, so dass die jeweiligen Symmetrieschaltungsausgänge direkt
mit jeweiligen (in diesem Fall Breitband-)Phasenschiebern verbunden
sind.
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6 veranschaulicht
eine Einspeisungskonfiguration 150 für einen zirkularen Dualband-Polarisationsbetrieb.
Die vier Sonden jedes Scheibenstrahlers müssen, wie in 6 gezeigt,
in einer Phasenfolge angeregt werden. Dies kann durch Einspeisen
zweier orthogonaler Paare durch zwei 180°-Symmetrieschaltungen und durch
Kombinieren der Ausgaben mit einer 90°-Symmetrieschaltung erreicht
werden. Man gehe von dem Beispiel aus, dass der Scheibenstrahler 66A des
Elements 60 von den Sondenpaaren 67A–67B und 67C–67D gespeist wird.
Die Sonde 67A soll mit einem Einspeisungssignal mit einer
relativen Phase von 90° eingespeist werden,
die Sonde 67B mit einem Einspeisesignal mit einer relativen
Phase von 270°,
die Sonde 67C mit einem Einspeisesignal mit einer relativen
Phase von 180° und
die Sonde 67D mit einem Einspeisesignal von 0° relativer
Phase. Die Einspeisungskonfiguration 150 umfasst 180°-Symmetrieschaltungen 152
und 154, eine 90°-Symmetrieschaltung
156 und einen Diplexer 158 mit einem Hochbandeingangsport 158A,
einem Niedrigbandport 158B und einem Eingangs-/Ausgangsport
158C. Die Einspeisungskonfigurati on 150 kann auf einen
Breitbandbetrieb modifiziert werden, indem der Diplexer 158 entfernt
wird. Für
einen Breitbandsendebetrieb wird das Signal bei 158C und das Signal
beim Port 156B mit einer 90°-Phase relativ zum Signal bei 156A (gleich)
in der Leistung durch die Symmetrieschaltung 156 geteilt. Das
Signal bei 156A wird in der Leistung bei der Symmetrieschaltung 154 geteilt,
wobei das Signal beim Port 154B um 180° phasenverschoben zum Signal
bei 154A ist. Das Signal bei 156B wird in der Leistung
bei der Symmetrieschaltung 152 geteilt, wobei das Signal
beim Port 152B um 180° phasenverschoben
zum Signal bei 152A ist. Im Ergebnis ist das Signal beim
Port 152A um 90° phasenverschoben zum
Signal beim Port 154A. Die Ports der 180°-Symmetrieschaltungen
sind mit entsprechenden Sonden durch Koaxialkabel gleicher Länge verbunden.
Somit wird die gewünschte
Phaseneinstellung der Einspeisesignale erreicht.
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7 zeigt
eine phasengesteuerte Anordnung 200, die die Erfindung
verkörpert
und in einer Dreiecksgitteranordnung mit Seiten gleicher Länge angeordnet
ist. Dies wird eine Scanleistung im Hauptebenenschnitt verbessern.
Die Anordnung 200 umfasst sieben beispielhafte Einheitszellen 210–270 aus
aufgeschichteten Scheibenstrahlern auf aufgeschichteten dielektrischen
Pfosten, wobei die Zellen 210–260 um eine Mittelzelle 270 angeordnet
sind.
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Ein Beispiel des Entwurfs für eine lineare
Polarisation mit einer Einzelpaarsondenanregung gemäß der Erfindung
wird gegeben wie folgt:
dx = dy = 0,3278 Inch im rechtwinkligen Gitter,
der Durchmesser des dielektrischen Pfostens D = 7,887 mm (0,3105
Inch); der untere dielektrische Pfosten t1 =
2,032 mm (0,0800 Inch) und eine dielektrische Konstante ε1 =
6,50;
der obere dielektrische Pfosten t2 =
2,103 mm (0,0828 Inch) und eine dielektrische Konstante εZ = 1,4;
der
untere Scheibenstrahler a1 = 3,505 mm (0,138 Inch),
und der Sondenabstand S = 4,206 mm (0,1656 Inch);
der obere
Scheibenstrahler a2 = 3,33 mm (0,1311 Inch).
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Die berechnete aktive Reflexionsdämpfung dieses
exemplarischen Beispiels einer linearen Polarisation als Funktion
der Frequenz für
einen Breitseitenscan (θ =
0°-Scan)
ist in 8 gegeben. Die
aktive Reflexionsdämpfung
ist unter –10
dB für
das Frequenzband von 7 GHz bis 15 GHz. 9 veranschaulicht die aktive Eingangsreflexionsdämpfung als
Funktion der Frequenz für
den Fall eines H-Ebenen-Scans (bei f = 7 GHz, Scan = 40°; bei f =
15 GHz, Scan = 17,5°).
Für den
Fall eines E-Ebenen-Scans (Scan = 40° bei f = 7 GHz; Scan = 17,5° bei f =
15°), wird
die aktive Eingangsreflexionsdämpfung
als Funktion der Frequenz in 10 gegeben.
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Es wurde ein phasengesteuertes breitbandiges
bzw. dualbandiges Arrayantennensystem unter Verwendung aufgeschichteter
Scheibenstrahler auf aufgeschichteten dielektrischen zylindrischen
Pfosten beschrieben. Die Polarisation der Anordnung kann eine einfachlineare,
doppeltlineare oder zirkulare Polarisation sein, abhängig davon,
ob Einzelpaar- oder Doppelpaarsondenanregungen verwendet werden.
Die Anordnung ist flach, kompakt und rigide und ihre Bandbreite
kann bei exemplarischen Anwendungen 2 : 1 über einem breiten Scanvolumen
sein. Während
die exemplarischen Ausführungsformen, die
hier veranschaulicht sind, zylindrische dielektrische Pfosten und
kreisförmige
Scheibenelemente verwendet haben, können abhängig von der Anwendung andere
Konfigurationen verwendet werden. Diese anderen Konfigurationen
umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, elliptische oder rechtwinklige
Querschnittskonfigurationen für
die Pfosten und Strahlerleiterelemente. Während die offenbarten Ausführungsformen
mit zwei Strahlerelementen verwendet wurden, die mit zwei dielektrischen
Pfosten aufgeschichtet sind, kann bzw. können ferner ein oder mehrere
zusätzliche
Strahlerelemente/dielektrische Pfosten zu jeder strahlenden Einheitszelle
hinzugefügt
werden, um eine noch größere Bandbreite zu
erhalten.
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Es ist klar, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen
lediglich veranschaulichend für die
möglichen
spezifischen Ausführungsformen
sind, die Grundlagen der vorliegenden Erfindung repräsentieren.
Andere Anordnungen könnten
einfach gemäß diesen
Grundsätzen
durch Fachleute ersonnen werden, ohne vom Schutzbereich der Erfindung,
wie er durch die beigefügten
Ansprüche
definiert ist, abzuweichen.